RU90907U1 - HYDROGEN SOLID ELECTROLYTIC SENSOR FOR LIQUID AND GAS MEDIA - Google Patents
HYDROGEN SOLID ELECTROLYTIC SENSOR FOR LIQUID AND GAS MEDIA Download PDFInfo
- Publication number
- RU90907U1 RU90907U1 RU2009135084/22U RU2009135084U RU90907U1 RU 90907 U1 RU90907 U1 RU 90907U1 RU 2009135084/22 U RU2009135084/22 U RU 2009135084/22U RU 2009135084 U RU2009135084 U RU 2009135084U RU 90907 U1 RU90907 U1 RU 90907U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cavity
- ceramic
- sensing element
- oxide
- sensor according
- Prior art date
Links
Landscapes
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
1. Твердоэлектролитный датчик водорода для жидких и газовых сред, включающий селективную мембрану, вытеснитель, пористую керамику и керамический чувствительный элемент из твердого электролита, в полости которого размещен эталонный электрод, а на наружной поверхности нанесен измерительный электрод, которые помещены в герметичную камеру, состоящую из соединенных между собой рабочей полости и вспомогательной полости, отличающийся тем, что датчик дополнительно снабжен корпусом, пробкой, имеющей отверстие и перекрывающей поперечное сечение полости керамического чувствительного элемента, гермовводом, расположенным герметично внутри корпуса над твердым электролитом, потенциалосъемником, проходящим через центральное отверстие гермоввода, втулкой, фланцем, причем фланец выполнен в виде герметичного пустотелого цилиндра, во внутренней полости которого расположены часть внешней поверхности цилиндрической втулки и корпуса, и снабжен первым нагревателем с системой стабилизации температуры для предотвращения образования конденсата, вспомогательная полость расположена в корпусе над гермовводом, выполнена герметичной и снабжена двумя отверстиями, выходящими во внутреннюю полость фланца, пористая керамика выполнена в виде цилиндра с отверстием в середине, через которое проходит потенциалосъемник, и размещена во вспомогательной полости, вспомогательная полость снабжена вторым нагревателем с системой стабилизации температуры для стабилизации парциального давления паров воды в ней, полость корпуса между гермовводом и керамическим чувствительным элементом выполнена герметичной, керамический чувствите1. A solid electrolyte hydrogen sensor for liquid and gaseous media, including a selective membrane, propellant, porous ceramic and ceramic sensing element made of solid electrolyte, in the cavity of which a reference electrode is placed, and a measuring electrode is deposited on the outer surface, which are placed in a sealed chamber, consisting of interconnected working cavity and auxiliary cavity, characterized in that the sensor is additionally equipped with a housing, a plug having a hole and overlapping the cross section a cavity of the ceramic sensing element, a hermetic lead located tightly inside the housing above the solid electrolyte, a potential stripper passing through the central hole of the hermetic lead, a sleeve, a flange, the flange being made in the form of a hermetic hollow cylinder, in the inner cavity of which there is a part of the outer surface of the cylindrical sleeve and the body, and equipped with a first heater with a temperature stabilization system to prevent condensation, the auxiliary cavity is located in the housing above the pressure seal is sealed and provided with two holes extending into the inner cavity of the flange, porous ceramic is made in the form of a cylinder with an opening in the middle through which the potential stripper passes and is placed in the auxiliary cavity, the auxiliary cavity is equipped with a second heater with a temperature stabilization system for stabilization partial pressure of water vapor in it, the body cavity between the pressure seal and the ceramic sensing element is sealed, ceramic feel
Description
Устройство относится к измерительной техникой может быть использовано в энергетике, металлургии, химической промышленности для определения концентрации водорода в жидких и газовых средах в широком интервале температур и давлений.The device relates to measuring technique can be used in energy, metallurgy, chemical industry to determine the concentration of hydrogen in liquid and gas environments in a wide range of temperatures and pressures.
Известен электрохимический датчик водорода в натрии и инертных газах [П.Н.Мартынов, М.Е.Чернов, А.Н.Стороженко, В.М.Шелеметьев, Р.П.Садовничий Датчики контроля кислорода и водорода в жидкометаллических теплоносителях АЭС на основе твердоэлектролитных наноструктурированных сенсоров кислорода // НПТ, в. 4, Москва, 2008. С.36]. Датчик включает электрохимическую кислородную ячейку на базе твердого электролита из стабилизированного диоксида циркония в форме пробирки, жидкометаллического электрода сравнения из смеси Bi+Bi2O3, измерительного платинового электрода, который помещен в герметичную камеру, заполненную водным паром. Стенки камеры выполнены из водородопроницаемого материала (никеля).The electrochemical hydrogen sensor in sodium and inert gases is known [P.N. Martynov, M.E. Chernov, A.N. Storozhenko, V.M.Shelemetyev, R.P. Sadovnichy solid electrolyte nanostructured oxygen sensors // NPT, c. 4, Moscow, 2008. P.36]. The sensor includes an electrochemical oxygen cell based on a solid electrolyte from stabilized zirconia in the form of a test tube, a liquid-metal reference electrode from a Bi + Bi 2 O 3 mixture, and a platinum measuring electrode, which is placed in a sealed chamber filled with water vapor. The walls of the chamber are made of a hydrogen permeable material (nickel).
Недостатками данного технического решения являются:The disadvantages of this technical solution are:
- нестабильность показаний датчика при повышенных концентрациях водорода (свыше 10 Па) в исследуемой среде;- instability of the sensor readings at elevated concentrations of hydrogen (over 10 Pa) in the test medium;
- относительно низкая точность измерения концентрации водорода, которая является следствием нестабильности парциального давления паров воды в камере.- relatively low accuracy in measuring the concentration of hydrogen, which is a consequence of the instability of the partial pressure of water vapor in the chamber.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для измерения содержания водорода в жидкостях и газах /RU 2334979, G01N 27/417, 2007/. Данное устройство принято за прототип. Прототип включает водородопроницаемую мембрану и электрохимическую ячейку с твердым электролитом и измерительным электродом, помещенными в герметичную камеру, состоящую из рабочей полости и вспомогательной полости, соединенных трубопроводом и расположенных в горячей и холодной зонах соответственно. Водородопроницаемая мембрана выполнена с образованием полости, которая каналом соединена с измерительным электродом электрохимической ячейки, расположена в горячей зоне с максимальной температурой и снабжена нагревателем, при этом электрохимическая ячейка так же снабжена нагревателем и теплоотводом.The closest in technical essence to the claimed device is a device for measuring the hydrogen content in liquids and gases / RU 2334979, G01N 27/417, 2007 /. This device is taken as a prototype. The prototype includes a hydrogen permeable membrane and an electrochemical cell with a solid electrolyte and a measuring electrode placed in a sealed chamber consisting of a working cavity and an auxiliary cavity connected by a pipeline and located in hot and cold zones, respectively. The hydrogen-permeable membrane is made with the formation of a cavity, which is connected by a channel to the measuring electrode of the electrochemical cell, is located in the hot zone with a maximum temperature and is equipped with a heater, while the electrochemical cell is also equipped with a heater and heat sink.
Недостатками известного устройства являются:The disadvantages of the known device are:
- отсутствие обогрева канала, соединяющего рабочую и вспомогательную полость устройства, вследствие чего возможно образование конденсата в канале и замедленная стабилизация давления паров воды в рабочей полости;- the lack of heating of the channel connecting the working and auxiliary cavity of the device, as a result of which condensation in the channel and delayed stabilization of water vapor pressure in the working cavity are possible;
- отсутствие термостабилизации вспомогательной полости;- lack of thermal stabilization of the auxiliary cavity;
- относительно высокая вероятность нарушения герметичности соединения твердоэлектролитная пробка - керамический изолятор и (или) пробки из твердого электролита при циклических термоударах вследствие низкой термостойкости материала пробки и разницы коэффициента температурного расширения пробки и керамического изолятора;- a relatively high probability of a leakage in the connection of the solid electrolyte tube - ceramic insulator and (or) tube made of solid electrolyte during cyclic thermal shock due to the low heat resistance of the tube material and the difference in the coefficient of thermal expansion of the tube and ceramic insulator;
- относительно высокая сложность конструкции и, как следствие, стоимость изготовления устройства.- the relatively high complexity of the design and, as a consequence, the cost of manufacturing the device.
Задачей полезной модели является создание твердоэлектролитного датчика водорода, лишенного указанных недостатков. Техническим результатом полезной модели является повышение ресурса и надежности работы в широком диапазоне параметров рабочей среды, снижение вероятности нарушения герметичности соединения твердоэлектролитная пробка - керамический изолятор и (или) пробки из твердого электролита, улучшение стабильности работы датчика при сохранении высокого быстродействия и чувствительности, упрощение конструкции датчика.The objective of the utility model is to create a solid electrolyte hydrogen sensor, devoid of these disadvantages. The technical result of the utility model is to increase the resource and reliability in a wide range of working medium parameters, reduce the likelihood of a leak in the connection of the solid electrolyte tube - ceramic insulator and (or) solid electrolyte tube, improve the stability of the sensor while maintaining high speed and sensitivity, simplifying the design of the sensor .
Технический результат состоит также в расширении функциональных возможностей датчика.The technical result also consists in expanding the functionality of the sensor.
Для решения поставленной задачи, а также для достижения заявленного технического результата предлагается твердоэлектролитный датчик водорода для жидких и газовых сред, включающий селективную мембрану, вытеснитель, пористую керамику и керамический чувствительный элемент из твердого электролита, в полости которого размещен эталонный электрод, а на наружной поверхности нанесен измерительный электрод, помещенными в герметичную камеру, состоящую из соединенных между собой рабочей полости и вспомогательной полости. Отличительной особенностью предлагаемого датчика является то, что он дополнительно снабжен корпусом, пробкой, имеющей отверстие и перекрывающий поперечное сечение полости керамического чувствительного элемента, гермовводом, расположенным герметично внутри корпуса над твердым электролитом, потенциалосъемником, проходящем через центральное отверстие гермоввода, втулкой, фланцем. Причем фланец выполнен в виде герметичного пустотелого цилиндра, во внутренней полости которого расположены часть внешней поверхности цилиндрической втулки и корпуса и снабжен первым нагревателем с системой стабилизации температуры для предотвращения образования конденсата. Вспомогательная полость расположена в корпусе над гермовводом, выполнена герметичной и снабжена двумя отверстиями, выходящими во внутреннюю полость фланца, пористая керамика выполнена в виде цилиндра с отверстием в середине, через которое проходит потенциалосъемник и размещена во вспомогательной полости. Вспомогательная полость снабжена вторым нагревателем с системой стабилизации температуры для стабилизации парциального давления паров воды в ней, полость корпуса между гермовводом и керамическим чувствительным элементом выполнена герметичной. Керамический чувствительный элемент выполнен в виде сопряженных между собой цилиндрического элемента и части сферы, расположенной в нижней части цилиндрического элемента. Верхняя часть наружной цилиндрической поверхности керамического чувствительного элемента герметично соединена с внутренней боковой поверхностью корпуса посредством соединительного материала, эталонный электрод расположен в полости, образованной внутренней поверхностью керамического чувствительного элемента и поверхностью пробки, и занимает, по меньшей мере, ее часть. Измерительный электрод выполнен в виде пористого платинового покрытия, нанесенного на наружную сферическую часть керамического чувствительного элемента. Конец центральной жилы потенциалосъемника, обращенный в сторону керамического чувствительного элемента, выведен через отверстие в пробке в объем эталонного электрода. При этом обеспечен электрический контакт между эталонным электродом и нижней частью центральной жилы потенциалосъемника. Часть керамического чувствительного элемента выступает за пределы корпуса. Втулка, выполненная в виде трубки, герметично соединена с нижней частью корпуса со стороны выступающей части керамического чувствительного элемента, нижний конец втулки имеет дно с центральным отверстием, к которому герметично прикреплена селективная мембрана, выполненная, по меньшей мере, из одной трубки. Нижний свободный конец мембраны герметично закрыт заглушкой. Рабочая полость, ограниченная внутренней поверхностью втулки, соединительным материалом, внешней выступающей за корпус частью керамического чувствительного элемента и внутренней поверхностью селективной мембраны имеет два отверстия, расположенные во втулке и выходящие во внутреннюю полость фланца. Вытеснитель выполнен в виде цилиндра и размещен с кольцевым зазором по отношению к внутренней поверхности селективной мембраны. Керамический чувствительный элемент и селективная мембрана оснащены общим третьим нагревателем с системой стабилизации температуры.To solve this problem, as well as to achieve the claimed technical result, a solid electrolyte hydrogen sensor for liquid and gas media is proposed, including a selective membrane, displacer, porous ceramic and a ceramic sensor made of solid electrolyte, in the cavity of which a reference electrode is placed, and on the outer surface is applied a measuring electrode placed in a sealed chamber consisting of a working cavity and an auxiliary cavity interconnected. A distinctive feature of the proposed sensor is that it is additionally equipped with a housing, a plug having a hole and overlapping the cross section of the cavity of the ceramic sensing element, a hermetic lead located hermetically inside the body above the solid electrolyte, a potential stripper passing through the central opening of the hermetic lead, a sleeve, a flange. Moreover, the flange is made in the form of a sealed hollow cylinder, in the inner cavity of which there is a part of the outer surface of the cylindrical sleeve and the housing and is equipped with a first heater with a temperature stabilization system to prevent the formation of condensate. The auxiliary cavity is located in the housing above the pressure seal, it is sealed and provided with two holes extending into the inner cavity of the flange, the porous ceramic is made in the form of a cylinder with an opening in the middle through which the potential pickup passes and is placed in the auxiliary cavity. The auxiliary cavity is equipped with a second heater with a temperature stabilization system to stabilize the partial pressure of water vapor in it, the housing cavity between the pressure seal and the ceramic sensing element is sealed. The ceramic sensitive element is made in the form of a cylindrical element conjugated between each other and a part of the sphere located in the lower part of the cylindrical element. The upper part of the outer cylindrical surface of the ceramic sensing element is hermetically connected to the inner side surface of the housing by means of a connecting material, the reference electrode is located in the cavity formed by the inner surface of the ceramic sensitive element and the surface of the plug, and occupies at least part of it. The measuring electrode is made in the form of a porous platinum coating deposited on the outer spherical part of the ceramic sensing element. The end of the central core of the potential pickup, facing the ceramic sensitive element, is brought out through the hole in the plug into the volume of the reference electrode. At the same time, electrical contact is provided between the reference electrode and the lower part of the central core of the potential stripper. Part of the ceramic sensing element extends beyond the housing. A sleeve made in the form of a tube is hermetically connected to the lower part of the housing from the side of the protruding part of the ceramic sensing element, the lower end of the sleeve has a bottom with a central hole to which a selective membrane made of at least one tube is hermetically attached. The lower free end of the membrane is hermetically sealed with a plug. The working cavity bounded by the inner surface of the sleeve, the connecting material, the external protruding part of the ceramic sensing element and the inner surface of the selective membrane, has two holes located in the sleeve and extending into the inner cavity of the flange. The displacer is made in the form of a cylinder and placed with an annular gap with respect to the inner surface of the selective membrane. The ceramic sensor and the selective membrane are equipped with a common third heater with a temperature stabilization system.
Дополнительно предлагается на внешней и внутренней части селективной мембраны выполнить химически стойкую в окислительной среде защитную пленку из палладия.In addition, it is proposed that a protective film of palladium be chemically stable in an oxidizing environment on the external and internal parts of the selective membrane.
Дополнительно предлагается пористую керамику выполнить из Al2O3 или из аэрогеля AlOOH или аэросила - аэрогеля на основе оксида кремния.In addition, it is proposed that porous ceramics be made of Al 2 O 3 or of AlOOH airgel or silica-based aerogel airgel.
Дополнительно предлагается вытеснитель выполнить из Al2O3, с плотностью не менее 97,7% от теоретической.Additionally, it is proposed that the displacer be made of Al 2 O 3 , with a density of at least 97.7% of theoretical.
Дополнительно предлагается использовать соединительный материал представляющий собой ситалл, включающий, масс.%: оксид алюминия 6-7, оксид бора 20-21, пероксид цинка 10-12, оксид циркония 5-6, оксид олова 5-7, оксид кальция 15-21, оксид натрия 3-4, оксид калия 3-4, оксид кремния - остальное.In addition, it is proposed to use a connecting material that is a ceramic, including, wt.%: Alumina 6-7, boron oxide 20-21, zinc peroxide 10-12, zirconium oxide 5-6, tin oxide 5-7, calcium oxide 15-21 , sodium oxide 3-4, potassium oxide 3-4, silicon oxide - the rest.
Дополнительно предлагается керамический чувствительный элемент выполнить из стабилизированного диоксида циркония или частично стабилизированнго диоксида циркония или оксида гафния.Additionally, it is proposed that the ceramic sensing element be made of stabilized zirconia or partially stabilized zirconia or hafnium oxide.
Дополнительно предлагается эталонный электрод выполнить из смеси висмута и оксида висмута или смеси свинца и оксида свинца или смеси индия и оксида индия или смеси галлия и оксида галлия.In addition, it is proposed that the reference electrode be made of a mixture of bismuth and bismuth oxide or a mixture of lead and lead oxide or a mixture of indium and indium oxide or a mixture of gallium and gallium oxide.
Дополнительно предлагается втулку выполнить из никеля.In addition, the sleeve is proposed to be made of nickel.
Дополнительно предлагается селективную мембрану выполнить из никеля.Additionally, it is proposed that the selective membrane be made of nickel.
Дополнительно предлагается пробку выполнить из диоксида циркония или оксида алюминия.In addition, it is proposed that the plug be made of zirconia or alumina.
Дополнительно предлагается корпус выполнить из ферритно-мартенситной стали ЭИ-852 (Х13М2С2) или из ферритно-мартенситной стали ЭИ-823(16Х12МВСФБР).In addition, it is proposed that the case be made of ferritic-martensitic steel EI-852 (X13M2S2) or ferritic-martensitic steel EI-823 (16X12MVSFBR).
Дополнительно предлагается фланец выполнить из ферритно-мартенситной стали ЭИ-852 (Х13М2С2) или из ферритно-мартенситной стали ЭИ-823 (16Х12МВСФБР).Additionally, it is proposed that the flange be made of ferritic-martensitic steel EI-852 (X13M2S2) or ferritic-martensitic steel EI-823 (16X12MVSFBR).
Сущность изобретения поясняется рисунком, на котором представлено продольное осевое сечение датчика. На рисунке приняты следующие обозначения: 1 - втулка; 2 - гермоввод; 3 - заглушка; 4 - керамический чувствительный элемент; 5 - корпус; 6 - фланец; 7 - вытеснитель; 8 - измерительный электрод; 9 - потенциалосъемник; 10 - пробка; 11 - селективная мембрана; 12 - соединительный материал; 13 - центральная жила потенциалосъемника; 14 - эталонный электрод; 15 - пористая керамика; 16 - рабочая полость; 17 - вспомогательная полость; 18, 19, 20 - первый, второй и третий нагреватель соответственно.The invention is illustrated in the figure, which shows a longitudinal axial section of the sensor. The following notation is used in the figure: 1 - sleeve; 2 - pressure seal; 3 - a stub; 4 - ceramic sensing element; 5 - case; 6 - a flange; 7 - displacer; 8 - measuring electrode; 9 - potential stripper; 10 - cork; 11 - selective membrane; 12 - connecting material; 13 - the central core of the potential stripper; 14 - reference electrode; 15 - porous ceramics; 16 - working cavity; 17 - auxiliary cavity; 18, 19, 20 - the first, second and third heater, respectively.
Твердоэлектролитный датчик водорода для жидких и газовых сред включает селективную мембрану 11, вытеснитель 7, пористую керамику 15, керамический чувствительный элемент 4 из твердого электролита, эталонный электрод 14, размещенный в полости керамического чувствительного элемента 4, измерительный электрод 8, нанесенный на наружную поверхность керамического чувствительного элемента 4, герметичную камеру, состоящую из соединенных между собой рабочей полости 16 и вспомогательной полости 17, корпус 5, соединительный материал 12, пробку 10, имеющую отверстие перекрывающую поперечное сечение полости керамического чувствительного элемента 4, гермоввод 2, расположенный герметично внутри корпуса 5 над керамическим чувствительным элементом, потенциалосъемник 9, проходящий через центральное отверстие гермоввода 2, втулку 1, фланец 6.A solid electrolyte hydrogen sensor for liquid and gaseous media includes a selective membrane 11, a displacer 7, porous ceramic 15, a solid electrolyte ceramic sensing element 4, a reference electrode 14 located in the cavity of the ceramic sensitive element 4, and a measuring electrode 8 deposited on the outer surface of the ceramic sensitive element 4, a sealed chamber, consisting of interconnected working cavity 16 and the auxiliary cavity 17, the housing 5, the connecting material 12, the plug 10, having about a bore covering the cross section of the cavity of the ceramic sensing element 4, the hermetic inlet 2, located hermetically inside the housing 5 above the ceramic sensing element, a potential stripper 9 passing through the central opening of the hermetic inlet 2, sleeve 1, flange 6.
Фланец 6 выполнен в виде герметичного пустотелого цилиндра, во внутренней полости которого расположены часть внешней поверхности втулки 1 и корпуса 5.The flange 6 is made in the form of a sealed hollow cylinder, in the inner cavity of which there is a part of the outer surface of the sleeve 1 and the housing 5.
Для предотвращения образования конденсата фланец 6 снабжен собственным терморегулируемым первым нагревателем 18 с системой стабилизации температуры.To prevent condensation, the flange 6 is equipped with its own temperature-controlled first heater 18 with a temperature stabilization system.
Кольцевой зазор между наружными поверхностями корпуса 5 и втулки 1 и внутренней цилиндрической поверхностью фланца 6 является каналом, соединяющим рабочую полость 16 и вспомогательную полость 17.The annular gap between the outer surfaces of the housing 5 and the sleeve 1 and the inner cylindrical surface of the flange 6 is a channel connecting the working cavity 16 and the auxiliary cavity 17.
Вспомогательная полость 17 расположена в корпусе 5 над гермовводом, выполнена герметичной и снабжена двумя отверстиями, выходящими во внутреннюю полость фланца 6.The auxiliary cavity 17 is located in the housing 5 above the pressure seal, made airtight and provided with two holes extending into the internal cavity of the flange 6.
Пористая керамика 15 выполнена в виде цилиндра с отверстием в середине, через которое проходит потенциалосъемник 9 и размещена в вспомогательной полости 17 с кольцевым зазором по отношению к внутренней поверхности корпуса 5.Porous ceramic 15 is made in the form of a cylinder with a hole in the middle through which a potential stripper 9 passes and is placed in the auxiliary cavity 17 with an annular gap with respect to the inner surface of the housing 5.
Вспомогательная полость 17 снабжена терморегулируемым вторым нагревателем 19 с системой стабилизации температуры, причем с температурой нагрева ниже, чем температура фланца 6.The auxiliary cavity 17 is equipped with a temperature-controlled second heater 19 with a temperature stabilization system, and with a heating temperature lower than the temperature of the flange 6.
Полость корпуса 5 между гермовводом 2 и керамическим чувствительным элементом 4 является герметичной. Это необходимо для предотвращения попадания кислорода из воздуха внутреннюю полость датчика и изменения свойств эталонного электрода 14.The cavity of the housing 5 between the pressure seal 2 and the ceramic sensing element 4 is sealed. This is necessary to prevent the ingress of oxygen from the air into the internal cavity of the sensor and change the properties of the reference electrode 14.
Керамический чувствительный элемент 4 выполнен в виде сопряженных между собой цилиндрического элемента и части сферы, расположенной в нижней части цилиндрического элемента.The ceramic sensing element 4 is made in the form of a cylindrical element conjugated between each other and a part of a sphere located in the lower part of the cylindrical element.
Верхняя часть наружной цилиндрической поверхности керамического чувствительного элемента 4 герметично соединена с внутренней боковой поверхностью корпуса 5 посредством соединительного материала 12.The upper part of the outer cylindrical surface of the ceramic sensing element 4 is hermetically connected to the inner side surface of the housing 5 by means of the connecting material 12.
Материалы корпуса 5 керамического чувствительного элемента 4 и соединительного материала 12 имеют одинаковый коэффициент температурного расширения, что позволяет сохранять работоспособность датчика при скоростях изменения температур (термоударах) в исследуемой среде до 100°С/с в диапазоне температур 300-650°С.The materials of the housing 5 of the ceramic sensing element 4 and the connecting material 12 have the same coefficient of thermal expansion, which allows to maintain the operability of the sensor at rates of temperature change (thermal shock) in the test medium up to 100 ° C / s in the temperature range 300-650 ° C.
Эталонный электрод 14 расположен в полости, образованной внутренней поверхностью керамического чувствительного элемента 4 и поверхностью пробки 10, и занимает, по меньшей мере, ее часть.The reference electrode 14 is located in the cavity formed by the inner surface of the ceramic sensing element 4 and the surface of the plug 10, and occupies at least part of it.
Пробка 10 предназначена для фиксирования эталонного электрода 14 во внутренней полости керамического чувствительного элемента 4.The plug 10 is designed to fix the reference electrode 14 in the internal cavity of the ceramic sensing element 4.
Наружная сферическая часть керамического чувствительного элемента 4 покрыта тонким слоем пористого платинового электрода 8.The outer spherical part of the ceramic sensor 4 is coated with a thin layer of porous platinum electrode 8.
Конец центральной жилы потенциалосъемника 13, обращенный в сторону керамического чувствительного элемента 4, выведен через отверстие в пробке 10 в объем эталонного электрода 14.The end of the central core of the potential pickup 13, facing the ceramic sensing element 4, is brought out through the hole in the plug 10 into the volume of the reference electrode 14.
В датчике обеспечен электрический контакт между эталонным электродом 14 и нижней частью центральной жилы потенциалосъемника 13.An electrical contact is provided in the sensor between the reference electrode 14 and the lower part of the central core of the potential pickup 13.
Часть керамического чувствительного элемента 4 выступает за пределы корпуса 5.Part of the ceramic sensing element 4 extends beyond the housing 5.
Втулка 1, выполненная в виде трубки, соединена с нижней частью корпуса 5 со стороны выступающей части керамического чувствительного элемента 4.The sleeve 1, made in the form of a tube, is connected to the lower part of the housing 5 from the side of the protruding part of the ceramic sensing element 4.
Нижний конец втулки 1 имеет дно с центральным отверстием, к которому прикреплена селективная мембрана 11, выполненная, по меньшей мере, из одной трубки.The lower end of the sleeve 1 has a bottom with a Central hole to which is attached a selective membrane 11 made of at least one tube.
Нижний свободный конец селективной мембраны 11 герметично закрыт заглушкой 3.The lower free end of the selective membrane 11 is hermetically sealed with a plug 3.
Рабочая полость 16, ограниченная внутренней поверхностью втулки 1, соединительным материалом - 12, внешней выступающей за корпус частью керамического чувствительного элемента 4 и внутренней поверхностью селективной мембраны 11 выполнена герметичной с двумя отверстиями, расположенными во втулке и выходящими во внутреннюю полость фланца 6.The working cavity 16, limited by the inner surface of the sleeve 1, the connecting material 12, the outer protruding part of the ceramic sensing element 4 and the inner surface of the selective membrane 11 is sealed with two holes located in the sleeve and facing the inner cavity of the flange 6.
Вытеснитель 7 выполнен в виде цилиндра и размещен с кольцевым зазором по отношению к внутренней поверхности селективной мембраны 11.The displacer 7 is made in the form of a cylinder and is placed with an annular gap with respect to the inner surface of the selective membrane 11.
Пористая керамика 15 является стабилизатором парциального давления паров воды в рабочей и вспомогательной полостях.Porous ceramic 15 is a stabilizer of the partial pressure of water vapor in the working and auxiliary cavities.
Вытеснитель 7 играет одновременно роль вытеснителя паразитного объема внутри селективной мембраны 11, что приводит к уменьшению инерционности датчика, и упрочнителя селективной мембраны 11 против внешних давлений, воздействующих на ее поверхность.The displacer 7 simultaneously plays the role of a displacer of the parasitic volume inside the selective membrane 11, which reduces the inertia of the sensor and the hardener of the selective membrane 11 against external pressures acting on its surface.
Керамический чувствительный элемент 4 и селективная мембрана 11 снабжены общим третьим нагревателем 20 с системой стабилизации температуры, обеспечивающих их разогрев до рабочих температур (450-550°С).The ceramic sensing element 4 and the selective membrane 11 are equipped with a common third heater 20 with a temperature stabilization system, which ensures their heating to operating temperatures (450-550 ° C).
В частных случаях выполнения устройства используют следующее.In special cases, the execution of the device using the following.
На внешней и внутренней части селективной мембраны 11 выполняют химически стойкую в окислительной среде защитную пленку из палладия.On the external and internal parts of the selective membrane 11, a protective film of palladium is chemically stable in an oxidizing environment.
Пористую керамику 7 выполняют из Al2O3, из аэрогеля AlOOH или аэросила-аэрогеля на основе оксида кремния.Porous ceramic 7 is made of Al 2 O 3 , from AlOOH airgel or silica-based aerosil-airgel.
Соединительный материал 12 представляет собой ситалл, состоящий из оксида кремния (SiO2) - 20-30 мас. %, оксида алюминия (Al2O3) - 6-7 мас.%, оксида бора (В2О3) - 20-21 мас.%, пероксида цинка (ZnO2) - 10-12 мас.%, оксида циркония (ZrO2) - 5-6 мас.%, оксида олова (SnO2) - 5-7 мас.%, оксида кальция (СаО) - 15-21 мас.%, оксида натрия (Na2O) - 3-4 мас.% и оксида калия (К2О) - 3-4 мас.%.The connecting material 12 is a glass, consisting of silicon oxide (SiO 2 ) - 20-30 wt. %, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) - 6-7 wt.%, boron oxide (B 2 O 3 ) - 20-21 wt.%, zinc peroxide (ZnO 2 ) - 10-12 wt.%, zirconium oxide (ZrO 2 ) - 5-6 wt.%, Tin oxide (SnO 2 ) - 5-7 wt.%, Calcium oxide (CaO) - 15-21 wt.%, Sodium oxide (Na 2 O) - 3-4 wt.% and potassium oxide (K 2 O) - 3-4 wt.%.
Керамический чувствительный элемент 4 выполняют из частично стабилизированного диоксида циркония или оксида гафния, эталонный электрод 14 - из смеси висмута и оксида висмута, смеси свинца и оксида свинца, смеси индия и оксида индия или смеси галлия и оксида галлия; втулку 1 и селективную мембрану 11 - выполняют из никеля; пробку 10 - из диоксида циркония или оксида алюминия, а корпус 5 и фланец 6 - из ферритно-мартенситной стали ЭИ-852 (Х13М2С2) или из ферритно-мартенситной стали ЭИ-823 (16Х12МВСФБР).The ceramic sensor 4 is made of partially stabilized zirconia or hafnium oxide, the reference electrode 14 is a mixture of bismuth and bismuth oxide, a mixture of lead and lead oxide, a mixture of indium and indium oxide or a mixture of gallium and gallium oxide; the sleeve 1 and the selective membrane 11 is made of nickel; plug 10 is made of zirconium dioxide or alumina, and case 5 and flange 6 are made of ferritic-martensitic steel EI-852 (X13M2C2) or ferritic-martensitic steel EI-823 (16X12MVSFBR).
Датчик работает следующим образом.The sensor operates as follows.
Принцип действия датчика основан на использовании электрохимического метода определения концентрации кислорода с использованием сенсора кислорода на основе твердого оксидного электролита.The principle of operation of the sensor is based on the use of an electrochemical method for determining oxygen concentration using an oxygen sensor based on a solid oxide electrolyte.
При размещении датчика в исследуемой среде, водород, содержащийся в среде, через селективную мембрану 11 датчика водорода обратимо диффундирует в рабочую полость 16 (полость, ограниченная внутренней поверхностью втулки 1, соединительным материалом 12, внешней выступающей за пределы корпуса 5 частью керамического чувствительного элемента 4 и внутренней поверхностью селективной мембраны 11), изменяя ЭДС датчика.When the sensor is placed in the test medium, the hydrogen contained in the medium through the selective membrane 11 of the hydrogen sensor reversibly diffuses into the working cavity 16 (a cavity bounded by the inner surface of the sleeve 1, the connecting material 12, the outer part of the ceramic sensor 4 protruding outside the housing 5 and the inner surface of the selective membrane 11), changing the emf of the sensor.
ЭДС датчика возникает за счет разности парциальных давлений кислорода на электродах гальванического концентрационного элемента, схема которого может быть представлена в виде:The emf of the sensor arises due to the difference in the partial pressures of oxygen on the electrodes of the galvanic concentration element, the circuit of which can be represented as:
Ме|эталонный электрод (14) ||ZrO2·Y2O3|| пористый платиновый электрод (8) |H2O, H2| селективная мембрана| среда.Me | reference electrode (14) || ZrO 2 · Y 2 O 3 || porous platinum electrode (8) | H 2 O, H 2 | selective membrane | Wednesday.
Рабочая полость имеет фиксированное парциальное давление паров воды и функционирует как преобразователь термодинамического потенциала водорода в окислительный потенциал паро-водородной смеси на пористом платиновом электроде (8).The working cavity has a fixed partial pressure of water vapor and functions as a converter of the thermodynamic potential of hydrogen into the oxidizing potential of a steam-hydrogen mixture on a porous platinum electrode (8).
Результирующая ЭДС является функцией давления водорода и записывается следующим образом:The resulting EMF is a function of hydrogen pressure and is written as follows:
где: Т - температура. К; R - универсальная газовая постоянная; F - число Фарадея; n - число электронов, участвующих в реакции; - парциальное давление паров воды в паро-водородной камере; - парциальное давление водорода в исследуемой среде.where: T - temperature. TO; R is the universal gas constant; F is the Faraday number; n is the number of electrons involved in the reaction; - partial pressure of water vapor in the steam-hydrogen chamber; - partial pressure of hydrogen in the test medium.
Вывод электрического сигнала для подачи его на вторичную аппаратуру обеспечивается потенциалосъемником 9. Изменение концентрации водорода в контролируемой среде приводит к изменению величины электрического сигнала, что позволяет осуществлять непрерывный его съем и обработку.The output of the electric signal for supplying it to the secondary equipment is provided by a potential pickup 9. A change in the concentration of hydrogen in the controlled medium leads to a change in the magnitude of the electric signal, which allows for its continuous removal and processing.
Для обеспечения стабильности парциального давления паров воды внутри рабочей полости датчик доукомплектовывается вспомогательной полостью 17, в которой размещаются сорбент: пористая керамика 15.To ensure the stability of the partial pressure of water vapor inside the working cavity, the sensor is understaffed with an auxiliary cavity 17, in which the sorbent: porous ceramic 15 are placed.
Инерционность датчика связана с проницаемостью водорода через селективную мембрану (11) и может быть оценена с помощью времени запаздывания сигнала:The inertia of the sensor is related to the permeability of hydrogen through the selective membrane (11) and can be estimated using the time delay of the signal:
, ,
где d - толщина селективной мембраны (11); D - коэффициент диффузии водорода в материале селективной мембраны (11), S - площадь поверхности селективной мембраны (11) и V - ее внутренний объем.where d is the thickness of the selective membrane (11); D is the diffusion coefficient of hydrogen in the material of the selective membrane (11), S is the surface area of the selective membrane (11), and V is its internal volume.
Для уменьшения инерционности датчика выгеснитель 7 выполняется в виде цилиндра и помещается внутри селективной мембраны 11 с небольшим кольцевым зазором, что приводит к увеличению отношения площади поверхности селективной мембраны (S) к ее внутреннему объему (V) и уменьшению паразитного объема.To reduce the inertia of the sensor, the displacer 7 is made in the form of a cylinder and placed inside the selective membrane 11 with a small annular gap, which leads to an increase in the ratio of the surface area of the selective membrane (S) to its internal volume (V) and to decrease the parasitic volume.
Одновременно, такое размещение вытеснителя 7 приводит к упрочнению конструкции против внешних давлений, действующих на поверхность селективной мембраны 11.At the same time, this placement of the displacer 7 leads to hardening of the structure against external pressures acting on the surface of the selective membrane 11.
Пример конкретного выполнения датчикаAn example of a specific implementation of the sensor
Втулка 1 и заглушка 3 выполнены из никеля НП0.The sleeve 1 and the plug 3 are made of NP0 nickel.
Гермоввод 2 выполнен из стали 12Х18Н10Т.Germovvod 2 is made of steel 12X18H10T.
Керамический чувствительный элемент 4 выполнен из частично стабилизированнго диоксида циркония и выступает за пределы корпуса на расстояние 6 мм.The ceramic sensing element 4 is made of partially stabilized zirconia and protrudes 6 mm beyond the housing.
Корпус 5 и фланец 6 изготовлен из ферритно-мартенситной стали ЭИ-852. Размеры корпуса 5: диаметр - 15 мм, длина - 220 мм.Case 5 and flange 6 are made of ferritic-martensitic steel EI-852. Case dimensions 5: diameter - 15 mm, length - 220 mm.
Пористая керамика 15 выполнена из γ-Al2O3. Ее пористость составляет 30%.Porous ceramic 15 is made of γ-Al 2 O 3 . Its porosity is 30%.
Вытеснитель 7 выполнен из Al2O3. Плотность 99.7% от теоретической.The displacer 7 is made of Al 2 O 3 . Density 99.7% of theoretical.
Измерительный электрод 8 выполнен из пористого платиносодержащего материала.The measuring electrode 8 is made of a porous platinum-containing material.
В качестве потенциалосъемника 9 использован двухоболочечный кабель типа КНМС 2 С.As a potential stripper 9, a double-sheathed cable of the KNMS 2 C type was used.
Пробка 10 выполнена из диоксида циркония.Cork 10 is made of zirconia.
Селективная мембрана 11 состоит из одной трубки, выполненой из никеля НМг0.08в. Размеры селективной мембраны: диметр - 6 мм; длина - 40 мм, толщина стенки - 0,15 мм.Selective membrane 11 consists of one tube made of nickel NMg0.08v. Sizes of a selective membrane: diameter - 6 mm; length - 40 mm, wall thickness - 0.15 mm.
Соединительный материал 12 представляет собой ситалл, состоящий из оксида кремния (SiO2) - 25 мас. %, оксида алюминия (Al2O3) - 6 мас.%, оксида бора (B2O3) - 20 мас. %, пероксида цинка (ZnO2) - 10 мас. %, оксида циркония (ZrO2) - 5 мас.%, оксида олова (SnO2) - 5 мас.%, оксида кальция (СаО) - 21 мас.%, оксида натрия (Na2O) - 4 мас.% и оксида калия (К2О) - 4 мас.%.).The connecting material 12 is a glass, consisting of silicon oxide (SiO 2 ) - 25 wt. %, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) - 6 wt.%, boron oxide (B 2 O 3 ) - 20 wt. %, zinc peroxide (ZnO 2 ) - 10 wt. %, zirconium oxide (ZrO 2 ) - 5 wt.%, tin oxide (SnO 2 ) - 5 wt.%, calcium oxide (CaO) - 21 wt.%, sodium oxide (Na 2 O) - 4 wt.% and potassium oxide (K 2 O) - 4 wt.%.).
Эталонный электрод 14 выполнен из смеси висмута и оксида висмута.The reference electrode 14 is made of a mixture of bismuth and bismuth oxide.
Отношение площади внутренней боковой поверхности селективной мембраны 11 к ее внутреннему свободному объему составляет 0,4 мм-1.The ratio of the area of the inner side surface of the selective membrane 11 to its internal free volume is 0.4 mm -1 .
На внешней и внутренней части селективной мембраны 11 выполнена химически стойкая в окислительной среде защитная пленка из Pd.On the external and internal parts of the selective membrane 11, a protective film of Pd is chemically stable in an oxidizing medium.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009135084/22U RU90907U1 (en) | 2009-09-21 | 2009-09-21 | HYDROGEN SOLID ELECTROLYTIC SENSOR FOR LIQUID AND GAS MEDIA |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009135084/22U RU90907U1 (en) | 2009-09-21 | 2009-09-21 | HYDROGEN SOLID ELECTROLYTIC SENSOR FOR LIQUID AND GAS MEDIA |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU90907U1 true RU90907U1 (en) | 2010-01-20 |
Family
ID=42121300
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009135084/22U RU90907U1 (en) | 2009-09-21 | 2009-09-21 | HYDROGEN SOLID ELECTROLYTIC SENSOR FOR LIQUID AND GAS MEDIA |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU90907U1 (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2490623C1 (en) * | 2012-03-05 | 2013-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Solid electrolyte sensor for potentiometric measurement of hydrogen concentration in gas mixtures |
| RU2533931C1 (en) * | 2013-06-14 | 2014-11-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации-Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" | Solid electrolyte transducer of hydrogen concentration in gases |
| RU2574423C1 (en) * | 2014-12-15 | 2016-02-10 | Открытое Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг" | Hydrogen sensor in liquid and gas media |
| WO2016099330A1 (en) * | 2014-12-15 | 2016-06-23 | Открытое Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг" | Sensor for sensing hydrogen in gaseous media |
| WO2016099329A1 (en) * | 2014-12-15 | 2016-06-23 | Открытое Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг" | Sensor for sensing hydrogen in liquid and gaseous media |
| RU2599459C2 (en) * | 2014-12-30 | 2016-10-10 | Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" | Electrochemical sensor of hydrogen concentration in gas and liquid media |
| CN116399919A (en) * | 2023-02-15 | 2023-07-07 | 深圳大学 | Lead-based fast reactor dissolved oxygen sensor |
-
2009
- 2009-09-21 RU RU2009135084/22U patent/RU90907U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2490623C1 (en) * | 2012-03-05 | 2013-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Solid electrolyte sensor for potentiometric measurement of hydrogen concentration in gas mixtures |
| RU2533931C1 (en) * | 2013-06-14 | 2014-11-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации-Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" | Solid electrolyte transducer of hydrogen concentration in gases |
| RU2602757C2 (en) * | 2014-12-15 | 2016-11-20 | Открытое Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг" | Hydrogen sensor in gaseous media |
| WO2016099330A1 (en) * | 2014-12-15 | 2016-06-23 | Открытое Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг" | Sensor for sensing hydrogen in gaseous media |
| WO2016099329A1 (en) * | 2014-12-15 | 2016-06-23 | Открытое Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг" | Sensor for sensing hydrogen in liquid and gaseous media |
| RU2574423C1 (en) * | 2014-12-15 | 2016-02-10 | Открытое Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг" | Hydrogen sensor in liquid and gas media |
| CN107295809A (en) * | 2014-12-15 | 2017-10-24 | 阿克米-工程股份公司 | Hydrogen detector for gas medium |
| EP3236250A4 (en) * | 2014-12-15 | 2018-06-20 | Joint Stock Company "Akme-Engineering" | Sensor for sensing hydrogen in gaseous media |
| EA032157B1 (en) * | 2014-12-15 | 2019-04-30 | Открытое Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг" | Sensor for sensing hydrogen in gaseous media |
| EA032158B1 (en) * | 2014-12-15 | 2019-04-30 | Открытое Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг" | Sensor for sensing hydrogen in liquid and gaseous media |
| RU2599459C2 (en) * | 2014-12-30 | 2016-10-10 | Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" | Electrochemical sensor of hydrogen concentration in gas and liquid media |
| RU215427U1 (en) * | 2022-10-20 | 2022-12-13 | Борис Семенович Ксенофонтов | INSTALLATION FOR MEASURING GASES IN LIQUID |
| CN116399919A (en) * | 2023-02-15 | 2023-07-07 | 深圳大学 | Lead-based fast reactor dissolved oxygen sensor |
| CN116399919B (en) * | 2023-02-15 | 2023-10-31 | 深圳大学 | Lead-based fast reactor dissolved oxygen sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU90907U1 (en) | HYDROGEN SOLID ELECTROLYTIC SENSOR FOR LIQUID AND GAS MEDIA | |
| US20110094883A1 (en) | Gas sensor element | |
| JP2009544020A (en) | Protective device for humidity sensor in erosive outside air | |
| US6177001B1 (en) | Internally calibrated oxygen sensor, method and system | |
| SU1142783A1 (en) | Gas analysis device having solid electrolyte based galvanic cells | |
| RU2517947C1 (en) | Hydrogen sensor in liquid and gas media | |
| RU2533931C1 (en) | Solid electrolyte transducer of hydrogen concentration in gases | |
| RU2483298C1 (en) | Solid-electrolyte sensor for amperometric measurement of hydrogen and oxygen concentration in gas mixtures | |
| RU2602757C2 (en) | Hydrogen sensor in gaseous media | |
| RU66056U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING HYDROGEN CONTENT IN LIQUIDS AND GASES | |
| EP0248891A1 (en) | Leak detector | |
| US4768371A (en) | Leak detector | |
| RU2574423C1 (en) | Hydrogen sensor in liquid and gas media | |
| RU2120624C1 (en) | Electrochemical sensor of concentration of hydrogen in gas and liquid mixtures | |
| KR102199059B1 (en) | Hydrogen detector for gas and fluid media | |
| JPH0679007B2 (en) | Sensor probe with solid reference material | |
| RU2795670C1 (en) | Sensor for measuring oxygen concentration in a gas mixture | |
| RU2548374C2 (en) | Solid electrolyte detector of oxygen concentration in gas media | |
| SU1013833A1 (en) | Electrochemical cell for measuring oxygen concentration | |
| JPH0679008B2 (en) | Sensor probe with solid reference material | |
| SU1765720A1 (en) | Temperature-to-electric signal diffusive transducer | |
| JPH07167829A (en) | Gas sensor | |
| JPS59109857A (en) | Gaseous carbon monoxide sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20180922 |